專利名稱：四針狀氧化鋅晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明為金屬基復(fù)合材料及制備方法，特別涉及四針狀氧化鋅晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及制備方法背景技術(shù)鋁基復(fù)合材料作為金屬基材料的一個(gè)分支，具有許多優(yōu)異的性質(zhì)。重量輕，比強(qiáng)度，比剛度高；具有高的剪切強(qiáng)度；熱膨脹系數(shù)低，熱穩(wěn)定性高，有良好的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性；有優(yōu)異的耐腐蝕性；可用常規(guī)工藝和設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)和二次成型。晶須因其結(jié)構(gòu)完整而具有高強(qiáng)度和高模量，被廣泛用作鋁基復(fù)合材料的增強(qiáng)體。許多專利也公開了晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及制備方法。
專利CN1414131公開了一種硼酸鎂晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及制備工藝。該復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度高比剛度低熱膨脹系數(shù)高耐磨性，并且可以通過常規(guī)的熱加工方法對(duì)其進(jìn)行二次加工。并且可以降低晶須增強(qiáng)復(fù)合材料的價(jià)格，擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域和提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。專利CN1197121涉及一種針對(duì)鋅鋁合金中成分的改進(jìn)和它的工藝制造技術(shù)，被廣泛地應(yīng)用在軸承支架、蝸輪、蝸桿等領(lǐng)域。其特征是鈦酸鉀晶須占獲得復(fù)合材料體積的20-30％，余量為鋅鋁合金。該發(fā)明的目的在于進(jìn)一步提高鋅鋁合金的耐磨性，降低其熱膨脹系數(shù)，減少高溫蠕變現(xiàn)象，提高鋅鋁合金的使用溫度范圍。該復(fù)合材料的比重也比鋅鋁合金減小10％左右，減輕了機(jī)器零件的重量。專利CN1100154公開了一種對(duì)晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，特別是以碳化硅晶須、硼酸鋁晶須等為增強(qiáng)相的鋁基復(fù)合材料進(jìn)行發(fā)黑處理的方法。專利CN1786250涉及一種硼酸鋁晶須增強(qiáng)鋁基或鎂基復(fù)合材料及其制備方法。它解決了現(xiàn)有復(fù)合材料中硼酸鋁晶須與基體浸潤(rùn)性差，硼酸鋁晶須與基體結(jié)合強(qiáng)度不高的問題，而且能夠有效阻礙界面反應(yīng)的發(fā)生。ZnAl2O4包覆硼酸鋁晶須增強(qiáng)鋁基或鎂基復(fù)合材料由ZnO、硼酸鋁晶須和鋁基或鎂基三種原料制成。其制備方法(一)將硼酸鋁晶須加入ZnO溶膠中；(二)制ZnO涂覆的硼酸鋁晶須；(三)制備ZnAl2O4包覆的硼酸鋁晶須預(yù)制塊；(四)擠壓鑄造，即得到ZnAl2O4包覆硼酸鋁晶須增強(qiáng)鋁基或鎂基復(fù)合材料。ZnO與硼酸鋁反應(yīng)生成的ZnAl2O4包覆到硼酸鋁晶須表面，提高了硼酸鋁晶須與基體的浸潤(rùn)性和界面結(jié)合強(qiáng)度，使復(fù)合材料的力學(xué)性能顯著提高。
目前在鋁基復(fù)合材料中使用的晶須多達(dá)上百種。但大多為一維晶須，一般呈針狀或棒狀。這種一般的呈-維的纖維狀晶須在基體材料中分布很難達(dá)到三維分布均勻化，從而會(huì)引起復(fù)合材料性能的各向異性，特別是橫向和縱向抗拉強(qiáng)度差距明顯。這一問題困擾著晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，限制了它的應(yīng)用。本發(fā)明的目的是引入具有特殊結(jié)構(gòu)的ZnO晶須，以獲得復(fù)合材料的各向同性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料存在的問題，提供了四針狀氧化鋅晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，及制備方法。本發(fā)明以具有空間四針狀的氧化鋅晶須為增強(qiáng)體(如圖1所示)，可在基體鋁合金中達(dá)到三維分布的均勻化，從而使鋁基復(fù)合材料在機(jī)械性能上獲得各向同性。
本發(fā)明的四針狀氧化鋅晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的成分為氧化鋅晶須5～35wt％；余量為鋁合金。
本發(fā)明的四針狀氧化鋅晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，其特征為氧化鋅晶須是立體四針狀單晶體，晶須有一核心，從核心徑向方向伸展出四根針狀晶體，針間針狀體間夾角約為109°，晶須的中心體直徑為0.7～2μm，針狀體根部直徑為0.5～14，針狀體長(zhǎng)度為10～150；基體鋁合金可以為鋁-硅系，鋁-同系，鋁-銅-鎂系，稀土鋁合金等不同系列的鋁合金。
本發(fā)明的四針狀氧化鋅晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，依次包括如下步驟(1)將氧化鋅晶須在蒸餾水中進(jìn)行超聲分散處理；分散好的氧化鋅晶須中加入硅膠，并進(jìn)行機(jī)械攪拌；(2)將攪拌均勻的氧化鋅晶須和硅膠混合物倒入模具中，壓制成預(yù)定高度的氧化鋅晶須預(yù)制件氧化鋅晶須預(yù)制件先在烘箱中干燥，然后在馬弗爐中焙燒；(3)用滿足權(quán)利要求1所述重量百分比的氧化鋅晶須預(yù)制件和基體鋁合金，通過擠壓鑄造，制備成氧化鋅晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。
本發(fā)明的四針狀氧化鋅晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，其進(jìn)一步的特征在于(1)氧化鋅晶須在蒸餾水中進(jìn)行超聲分散的時(shí)間為2～4h，加入硅膠的量為氧化鋅晶須蒸餾水混合物的5～10vol％，攪拌時(shí)間為1～2h；(2)壓制氧化鋅晶須預(yù)制件的壓強(qiáng)為0.2～1MPa，保壓時(shí)間為5～10min；在烘箱中干燥溫度為100℃～120℃，干燥時(shí)間為4～5h在馬弗爐中焙燒溫度為850℃～950℃，焙燒時(shí)間為2～3h，隨爐冷卻；(3)將擠壓模具和氧化鋅晶須預(yù)制件預(yù)熱到450℃～500℃，氧化鋅晶須預(yù)制件放入擠壓模具中，將加熱到800℃～850℃的液態(tài)鋁合金倒入模具，加壓使液態(tài)鋁合金滲入到氧化鋅晶須預(yù)制件中，壓強(qiáng)20～80MPa，保壓待液態(tài)鋁合金在壓力下凝固后脫模，獲得氧化鋅晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料


圖1四針狀氧化鋅晶須空間形貌圖2 10wt％四針狀氧化鋅晶須增強(qiáng)復(fù)合材料形貌圖3 20wt％四針狀氧化鋅晶須增強(qiáng)復(fù)合材料形貌圖4 30wt％四針狀氧化鋅晶須增強(qiáng)復(fù)合材料形貌具體實(shí)施方式
實(shí)例1復(fù)合材料成分為四針狀氧化鋅晶須10wt％，余量為L(zhǎng)Y11鋁合金。圖2為復(fù)合材料形貌，其性能為橫向抗拉強(qiáng)度520MPa，縱向抗拉強(qiáng)度500MPa。
實(shí)例2復(fù)合材料成分為四針狀氧化鋅晶須20wt％，余量為L(zhǎng)Y11鋁合金。圖3為復(fù)合材料形貌，其性能為橫向抗拉強(qiáng)度580MPa，縱向抗拉強(qiáng)度550MPa。
實(shí)例3復(fù)合材料成分為四針狀氧化鋅晶須30wt％，余量為L(zhǎng)Y11鋁合金。圖4為復(fù)合材料形貌，其性能為橫向抗拉強(qiáng)度650MPa，縱向抗拉強(qiáng)度620MPa。
權(quán)利要求
1.一種四針狀氧化鋅晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，該復(fù)合材料的成分為四針狀氧化鋅晶須5～35wt％；余量為鋁合金。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四針狀氧化鋅晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料氧化鋅晶須是立體四針狀單晶體，晶須有一核心，從核心徑向方向伸展出四根針狀晶體，針間針狀體間夾角約為109°，晶須的中心體直徑為0.7～2μm，針狀體根部直徑為0.5～14μm，針狀體長(zhǎng)度為10～150μm；基體鋁合金可以為鋁-硅系，鋁-銅系，鋁-銅-鎂系，稀土鋁合金等不同系列的鋁合金。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四針狀氧化鋅晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，依次包括如下步驟(1)將氧化鋅晶須在蒸餾水中進(jìn)行超聲分散處理；分散好的氧化鋅晶須中加入硅膠，并進(jìn)行機(jī)械攪拌；(2)將攪拌均勻的氧化鋅晶須和硅膠混合物倒入模具中，壓制成預(yù)定高度的氧化鋅晶須預(yù)制件；氧化鋅晶須預(yù)制件先在烘箱中干燥，然后在馬弗爐中焙燒；(3)用滿足權(quán)利要求1所述重量百分比的氧化鋅晶須預(yù)制件和基體鋁合金，通過擠壓鑄造，制備成氧化鋅晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的四針狀氧化鋅晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于(1)氧化鋅晶須在蒸餾水中進(jìn)行超聲分散的時(shí)間為2～4h，加入硅膠的量為氧化鋅晶須蒸餾水混合物的5～10vol％，攪拌時(shí)間為1～2h；(2)壓制氧化鋅晶須預(yù)制件的壓強(qiáng)為0.2～1MPa，保壓時(shí)間為5～10min；在烘箱中干燥溫度為100℃～120℃，干燥時(shí)間為4～5h；在馬弗爐中焙燒溫度為850℃～950℃，焙燒時(shí)間為2～3h，隨爐冷卻；(3)將擠壓模具和氧化鋅晶須預(yù)制件預(yù)熱到450℃～500℃，氧化鋅晶須預(yù)制件放入擠壓模具中，將加熱到800℃～850℃的液態(tài)鋁合金倒入模具，加壓使液態(tài)鋁合金滲入到氧化鋅晶須預(yù)制件中，壓強(qiáng)20～80MPa，保壓待液態(tài)鋁合金在壓力下凝固后脫模，獲得氧化鋅晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種四針狀氧化鋅晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及其制備方法。該復(fù)合材料成分為四針狀氧化鋅晶須5～35wt％；余量為鋁合金。將具有空間四針狀的氧化鋅晶須，超聲分散，加入硅膠并攪拌均勻，制成預(yù)制件后進(jìn)行干燥和焙燒，最后通過擠壓鑄造的方法獲得四針狀氧化鋅晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。本發(fā)明采用四針狀的氧化鋅晶須為增強(qiáng)體，可在基體鋁合金中達(dá)到三維分布的均勻化，從而獲得鋁基復(fù)合材料在機(jī)械性能上的各向同性。
文檔編號(hào)C22C47/12GK101070583SQ200710049109
公開日2007年11月14日 申請(qǐng)日期2007年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月16日
發(fā)明者郭智興, 李偉, 楊梅 申請(qǐng)人:四川大學(xué)